预应力张拉伸长值异常的分析

2008年05期(总第41期) 公路交通科技 应用技术版 作者简介:张斌 (1974-),男,助理工程师,从事道路桥梁工程工作。 在预应力结构施工中,除了锚固系统本身的质量以 外,最重要的质量控制指标就是预应力的大小,它能够 在很大程度上影响预应力构件的起拱度[1],从而影响后 续的桥梁桥面铺装的施工质量;同时如果施工不当,张 拉应力过大时可能会导致构件的出现脆性破坏,张拉应 力过小时可能会导致构件的抗裂性能较低,承载力下降 从而还影响桥梁的整体刚度和安全系数。因此,需要控 制张拉完成时刻的应力。为了确保可靠,将张拉伸长值 的实测量值与理论伸长值进行比较是一种常采用的效验 应力的方法。 1 工程概况及规范要求 宁镇路立交是位于润扬大桥南接线K1标K21+164, 跨越宁镇一级公路。桥梁横断面按两幅并列布置,桥梁 上部结构以箱梁预制为主除现浇段外的单幅桥面均由 5 片箱梁组成,总预制量为 130片。全部采用后张法预 制。 对于后张法钢绞线的张拉施工,不同的规范的伸长 量允需范围都不相同,以下是目前各种规范的规定:公 路桥涵施工技术规范伸长量容许范围为:±6%,铁路施 工规范为±5%,混凝土结构施工验收规范 GB50204- 2002为:±6%,美国ASSHTO对钢绞线的伸长量偏差要 求为:±5%。 2 伸长值的确定及施工中存在的问题 30m箱梁的设计参数为:钢绞线 !j15.24mm,A= 140mm2,标准强度 Ry b =1860MPa,弹性模量 Ey=1.95× 105MPa,张拉控制应力 σY=0.75Ry b =1395MPa,局部影响 系数 k=0.0025m-1,钢绞线与孔道壁摩擦系数 μ=0.2[2], 计算依据为《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)。 本处以中跨梁N1束为计算算例 L1=3082-130=2952cm x=0.5L1=29.52/2=1476cm !θ=7.5°=0.139(弧度) 由于工程运用了柳锚产品,其柳锚系数η=0.98,相 当于摩阻损失2%,其K1=[100/η]/100=1.02,假定千斤顶 的摩阻损失为2%,则K2=1.02,根据规范,预应力钢绞 线的最大控制应力不应超过 0.8Ryb,在本修正中,σk= K1×K2×0.75Ry b =1451<0.8Ry b ,符合要求 P"=K1×K2×σR[1-e-(κχ+μθ)] κχ+μθ = 1451×[1-e- (0.0369+0.0026) ] 0.0369+0.0262 1414.8MPa ΔL1=1414.841.95×10 5 ×29520=214.2mm 如果采用μ=0.25,那么计算得钢绞线平均拉应力和 伸长值分别为 1401.6MPa,212.2mm,但是在老规范中 孔道壁摩擦系数μ的取值范围为0.16～0.19。 限位板、垫板处的钢绞线自由拉伸长 ΔL2,实测其 限位板、垫板工作占用段的钢绞线长为 100mm,ΔL2= σK×100mm/EY=0.7mm,实际伸长量的确定,中跨梁 N1 束:ΔL实=ΔL1+ΔL2=215mm,采用同样的方法得出其他束 的实际伸长量。 在具体施工过程中,发现整体上实际量测伸长量大 于计算伸长量,虽然大部分张拉伸长值还在±6%范围之 内,但整体的偏差引起了注意。也有部分箱梁由于施工 预应力张拉伸长值异常的 张 斌 1 ,何长江 2 (1.南京嘉群市政工程有限公司,江苏 南京 210019;2.吴江市公路管理处,江苏 吴江 215200) 摘 要:预应力张拉伸长值是控制预应力大小的重要指标,因此将张拉伸长值的实测量值与理论伸长值进行比较 是一种常采用的效验应力的方法,文章通过对影响伸长值的因素 (包括模量、钢绞线尺寸、管道摩阻系数、钢绞 线的松弛等) 的分析,可以更好地分析预应力张拉施工中的问题。 关键词:预应力;模量;伸长值;异常分析 中图分类号:U44 文献标识码:B 135 2008年05期(总第41期) 中的各种影响因素 (其中包括施工中的人为因素:如量 测手段) ,钢绞线的伸长量达不到设计伸长值。 3 问题分析 实际应用时由于各种因素的影响,伸长量与理论计 算值经常出现偏差,有时甚至出现很大的误差,如张拉 伸长超出容许范围。对于上述情况中 FIP[3]给出了的原 因见表1。 表1伸长不对的原因(FIP) 针对上述情况,进行了多方面的分析,包括对钢绞 线尺寸的检查,钢绞线模量的分析,量测方法等的分 析。 3.1钢绞线尺寸的检查 在实际施工中我们选取了即将张拉的钢绞线作为检 测对象,在钢绞线穿孔前采用游标卡尺对钢绞线的直径 进行量测,采用每 5m一个测点,每个测点测量两次, 直径取二者的平均值,每根钢绞线测量6个点,最后对 数据进行统计分析,168个测量值,其中直径最大值为 15.26mm,最小值为15.12mm,平均值为15.17mm,根据 表 2[3]采用内插法可以求得钢绞线的面积为 139.13mm2, 面积比计算面积A=140mm2减小0.6%,计算可得伸长值 增大约0.6%,对钢绞线的伸长量影响较小。 同时考虑到在实际量测过程中可能产生会出现较大 误差,我们采用了以每米重数据进行了校核 [4], !15.24mm钢绞线理论每米重为 1.093kg,取 3个 1m钢 绞线试样称得钢绞线重量分别为 1.090kg、1.084kg、 1.086kg,经计算可得钢绞线平均截面积为 139.14mm2, 与上述采用直径量测得方法测得的面积相差不大。 表2钢绞线面积与直径的关系 3.2钢绞线模量分析 目前我国钢绞线模量值通常采用 195±10kN/mm2, 取值范围较大,对伸长值的计算影响较大,以下是采用 不同模量计算所得的钢绞线伸长值,详细结果见表3。 表3采用不同模量值计算所得伸长值(以中跨梁N1束为例) 由表中可见,以 195GPa为钢绞线模量的理论值, 随着其模量在容许范围内的改变,其伸长量理论值最大 偏差可达到 5.6%,因此对钢绞线模量进行分析具有重 要的意义。其后参阅了钢绞线厂提供的实测数据进行了 分析,厂家提供的模量数据平均值为 191GPa,并选取 了 3根钢绞线试样进行了检测,测得的模量值分别为 191/192/191,最后决定选取 191GPa作为最终模量值进 行计算,计算得中跨梁 N1束伸长量为 219mm,伸长量 增加了2.1%。 3.3伸长量量测方法分析 在具体施工中,虽然量测方法有所改进,由原先的 量测油顶伸长量改进为量测钢绞线伸长量。具体量测方 法如下:在限位板前增加厚 25mm的垫板,垫板的大 小、形状、加工精度、强度等同于限位板,且以垫板中 心为原点、以对应锚板夹片孔最大直径为垫板的掏空直 径,使得垫板成环形。量测时,利用标记笔 (建议采用 石笔) 分别在15%σK,30%σK,100%σK(持荷3min后) 的应力状态下通过槽口在钢绞线上刻划记号,张拉完毕 后,撤除千斤顶、垫板、限位板后,利用钢尺量取15% σK至 30%σK及 15%σK至 100%σK之间的距离。伸长量 计算公式为 ΔL实=ΔL (15%σK～30%σK) +ΔL (15%σK～100%σK) 采用这种方法避免了非张拉力因素 (工具锚夹片的 回缩、顶与钢绞线的滑移等) 产生的应变,但是钢绞线 的初始状态的变形即0%～15%之间的变形由于钢绞线与 孔道之间的接触状况与 15%～30%时有一定的差异,其 变形与实际情况有一定的偏差。 3.4其他因素分析 在张拉过程中,部分钢绞线束出现了断丝现象,它 引起钢绞线的有效面积减少,对伸长值也有一定的影 响;千斤顶校验不准或千斤顶的油路故障导致油表读数 与千斤顶实际张拉应力不对应;孔道的摩擦损失计算是 否准确,摩擦力与钢绞线同管道表面的接触状态有关, 同时摩擦系数还受束中钢绞线的根数及力的大小影响; 实际张拉过程中张拉长度L的取值是否准确,在梁体浇 注过程中波纹管往往有所偏移,因此会导致钢绞线的实 际张拉长度有所改变[5];张拉过程中混凝土的变形和钢 绞线的松弛,尽管 C50混凝土的弹性模量能够达到 技术论坛 本栏目由中交一公局 桥隧工程有限公司协办 136 2008年05期(总第41期) 公路交通科技 应用技术版 不能保证自身的稳定,因此,钢筋笼安装完成后,用连 接钢筋将钢筋笼固定在稳固护壁的锚杆上,每 5m焊接 一圈。采用同样的方法将第二 (36m)、三 (20m) 节连 接好的钢筋笼下放,然后跟已经下放的钢筋笼采用锥螺 纹连接 (如果个别钢筋位置有偏差,不能正常连接,采 用绑条焊连接)。连接完成后,采用同样的方法将钢筋 笼焊接在护壁锚杆上。 3.3 桩身混凝土制备、灌筑 桩基C30混凝土在拌和站集中拌制,混凝土罐车运 输,运距 2km。本桥右幅 8#墩采用导管法灌注,导管 底部埋于混凝土面内3m。 孔桩成孔、钢筋笼安装好后,孔内通信、通风、提 升设备等设施在灌注桩身混凝土时必须拆除,考虑到孔 内操作人员的安全及孔桩通过强岩溶地层容易漏水的特 殊情况,孔桩混凝土按照水下混凝土的标准进行配合比 设计,通过导管内混凝土柱的冲击和重力使混凝土密 实,当混凝土灌注至距离孔口15m时,由于导管内混凝 土柱的冲击力减小,采用插入式振动器人工振捣,直至 桩顶。因桩顶有浮浆,故桩顶应超灌0.3m,混凝土凝固 后将浮浆层凿除以保证与上部承台连接良好。 3.4 桩基检测情况 水南大桥右幅 8#墩桩基挖孔成孔后,通过监理、 设计、地质勘探和业主的联合检查,其桩孔直径、垂直 度、护壁混凝土质量、嵌岩深度、孔底岩石风化程度及 承载力均符合设计和 《公路工程质量检验评定标准》 要 求;其桩基混凝土浇灌质量由施工单位委托具有资质的 检测单位进行4根桩的超声波检测;监理和建设单位各 进行了1根桩的超声波抽检,均达到了Ⅰ类桩的标准。 4 结语 (1) 水南大桥右幅 8#墩人工特深挖孔桩填补了国 内100m深孔挖孔桩的空白; (2) 在复杂的地质情况下 人工挖孔桩是一种可行的方法; (3) 借鉴水下混凝土 浇灌技术,利用混凝土的重力和深度冲击形成自密实, 成功地解决了深孔人工振捣的不便和安全隐患。 参考文献: [1] 中铁五局第五工程公司.水南大桥右幅8#墩挖孔桩施工[R]. [2] 中交第二公路勘察设计研究院.水南大桥施工图设计[R].2005. [3] 中交第二公路勘察设计研究院.水南大桥施工钻探成果[R]. [4] JTJ076-95,公路工程施工安全技术规程[S]. 35GPa,但在张拉过程中,产生的压力巨大,能够导致 弹性变形和蠕变的产生,同时钢绞线在接近弹性极限的 高应力下松弛影响较明显,而力值的测试确不考虑这些 影响因素;张拉和量测设备的误差,在施工中量测计算 及其他不规范操作会引起一定的误差。 4 结语及建议 经过以上具体的分析,并考虑钢绞线面积、模量因 素的影响,采用了新的张拉伸长值作为控制指标,张拉 伸长值数据基本在控制范围内,但总体数值偏高 2%左 右,这主要是在计算中各种参数的选取与实际情况的差 异等因素的影响结果,经过多方面的调查发现其他标段 也存在类似的问题,即张拉伸长值普遍偏高。当然在施 工中也有其他因素的影响,例如在施工中有一根箱梁整 体伸长值偏小,后经分析,是因为液压油受到污染导致 张拉力不足引起。因此在具体施工中应当注意以下事项: (1) 钢绞线穿束时,应防止缠绕情况的出现,故当 一孔内钢束数较多时应采用各自编号,两端对应安装、 张拉。 (2) 安装群锚锚板时应尽量消除钢束的长度差,钢 束中长度差的存在会导致钢绞线束中的各根受力不均 匀,错误的受力状态就会导致伸长量的异常。可以对上 紧工作夹片的钢绞线进行多次工作循环消除钢束长度 差,当一次上紧夹片后,应尽可能地摆动工作段的钢绞 线,每摆动一个方向后,就紧一次夹片;直至人工的力 量摆动不了为止。 (3) 在安装中要确保千斤顶、锚圈与孔口中心线位 于同一轴线上,在张拉过程中应减小油泵车与油顶间的 油路长度,且液压油应保持清洁。否则会导致预应力的 损失。 (4) 所有需要校验的张拉机具不准超过校验期限, 若张拉途中出现故障应立即停止张拉,张拉后割丝用砂 轮锯切割。当孔道堵塞对伸长值有影响,这种情况下的 伸长值异常对我们判断孔道内情况也有帮助。在负弯矩 施工时,当我们单端张拉时,发现实际伸长远远小于理 论伸长量时,可判定在浇注的过程中管道损坏,引发堵 塞,同时根据这个异常数据我们可推算出堵塞的位置。 参考文献: [1] 王成学,刘巍,祁岩.张拉控制应力的大小对预制构件影响[J].低温 建筑技术,1998(1):36-37. [2] JTJ014-2000,公路桥涵施工技术规范[S]. [3] 段建华.控制预应力钢绞线张拉伸长的意义及异常伸长的分析[J]. 结构工程师(增刊),2000. [4] 段建华,董昌华.高强度钢绞线的直径偏差及与工程质量的关系 [J].建筑技术,2000,31(12):841-842. [5] 石国林,纪卫中.对后张法预应力中的钢铰线伸长值的误差分析 [J].黄石理工学院学报.2005,21(1):46-51. (上接第120页) !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 137